“1+9”總控-分控自動化平臺的研究與應用

毛 浩

(陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西省榆林市，719600)

近年來，隨著煤礦開采技術的發展以及煤礦企業對數據、系統、工業自動化的需求，越來越多的煤炭企業開始應用信息化系統，這些系統的類別主要包括辦公信息化系統、自動化系統以及監測類系統三大類，這些系統的出現與存在對于煤礦的生產及管理現代化起到了不可估量的作用。然而，由于煤炭企業的信息化系統存在數量眾多、建設廠家和建設時間先后不一以及使用版本多種多樣等因素，從而導致煤炭企業對信息化系統管理和運行繁瑣，部分信息化系統形成了數據孤島。此外，受到技術條件的限制，這些信息化系統對現場的實際控制及管理沒有達到理想的效果，對數據的利用也沒有達到預期的效果。

隨著自動化技術及網絡技術在煤礦的應用不斷成熟，目前有條件和技術對上述問題進行修正。在工業4.0以及兩化融合的大背景下，以張家峁公司的“1+9”總控-分控自動化平臺為例，對張家峁公司信息化系統進行重新整合及升級改造。

1 張家峁公司的信息化系統現狀

張家峁公司位于陜西省榆林市神木縣北部，是一座大型的國有股份制煤炭企業。張家峁公司目前已經實現了以井下千兆工業以太網、辦公局域網以及以3G無線傳輸網為一體的基礎數字傳輸網絡平臺和統一的企業信息化應用平臺。在安全生產建設方面，完成了監測和自動化的系統建設。由于網絡化、信息化、自動化等技術的應用，張家峁公司從管理、安全到生產已經處于行業的先進水平。截至2015年，張家峁公司已經形成了24個辦公信息化系統、25個自動化系統和17個監測類系統，張家峁公司子系統現狀見表1。

表1 張家峁公司子系統現狀

張家峁公司建成的子系統通過相應的綜合自動化系統及上位機系統進行控制，由于各個子系統所實現的功能不同以及隸屬在不同的區隊或者部門，因此每個子系統都需要有專門的人員負責維護和管理，管理相對比較繁瑣，而且浪費大量的人力資源。張家峁公司的綜合自動化系統自運行以來，受技術條件限制，對現場的控制沒有達到理想效果，具體表現如下：

(1)系統建設時受技術限制，達不到現有要求，如銷售地銷系統自動裝車等；

(2)實時數據服務器未能實現完全同步和冗余報警，且報表功能不完善；

(3)自動化系統建設基本停留在監測階段，未實現遠程控制及無人值守；

(4)各單位之間的子系統銜接不夠緊密，存在數據信息孤島，工業化和信息化融合的程度不高。

基于以上種種原因，必須對現有張家峁公司子系統的技術運行及業務管理進行重新梳理，形成一種更適用于大型煤礦企業的綜合自動化模式，通過“1+9”總控—分控自動化平臺的實施，替代低端崗位和低端工種，對張家峁公司的井下、地面機房硐室全面實現無人值守和有人巡檢功能。

2 “1+9”總控-分控自動化平臺的數據采集與傳輸

實現“1+9”總控-分控自動化平臺首先要解決的問題就是消除信息孤島，實現子系統與子系統之間的數據共享，達到數據層面的互聯互通與無縫對接，從而實現對數據和動態指令的全面應用。要實現這些目標，首先要對張家峁公司整體的現場運行生產實時數據及經營數據進行統一的采集和傳輸，形成張家峁公司大數據庫，然后再根據具體業務劃分逐個形成獨立的分控中心數據庫。數據的采集主要對象為礦井各個子系統的現場感知層，如各類傳感器、電力電表、智能設備等，采集后的生產數據通過就近的PLC控制器進行就地匯總，視頻數據通過光纖匯總，上述數據接入張家峁公司的工業環網交換機或者就近企業網交換機，利用張家峁公司工業環網或者企業局域網傳輸至公司網絡處理中心的核心交換機，至此完成數據的采集功能及數據傳輸功能。“1+9”總控-分控自動化平臺主要采集的子系統如下：

(1)PLC自動化控制系統。采集自動化子系統中的開關量和模擬量等信息，數據采集使用標準OPC接口與控制系統對接，生產數據歸檔到實時數據庫。

(2)智能供配電系統。采集所有供配電系統中的實時數據并歸檔到實時數據庫，實現高低壓數據監測，包括電流和電壓數據監測、故障報警、電量監測、遠程安全控制、各種操作日志等信息。

(3)工業電視系統。使用通用視頻瀏覽插件連接工業電視系統，實現工業電視報警、實時畫面查看、歷史畫面回放。

(4)設備狀態在線監測。采集設備靜態資料、動態運行參數如溫度和振動等信息，并將數據歸檔到實時數據庫，實現在線監控設備的振動頻譜、溫度以及設備報警等。

3 “1+9”總控-分控自動化平臺的基本架構

“1+9”總控-分控自動化平臺的意義在于通過對原有自動化系統的業務進行梳理劃分、技術升級改造以及網絡平臺的充分應用，打造一種新的自動化管理模式，并優于目前的多系統離散化控制，從而在管理升級的基礎上，達到無人值守和減人提效的目的。“1+9”的劃分是以礦井實際運行重要程度為基礎的，在這個基礎下，調度室作為礦井安全生產、日常運行和調度指揮的核心場所，代表該模式的 “1”，也就是總控中心。“9”代表該模式有9個分控單位，也就是分控中心。“1+9”總控-分控自動化平臺基礎架構示意圖如圖1所示。

圖1 “1+9”總控-分控自動化平臺基礎架構示意圖

3.1 總控中心

總控中心實時監視全礦的生產運行狀況，包括所有分控中心下子系統的運行狀態，設備的狀態、參數、故障、報警、實時曲線、操作記錄等；可以自動生成基于全礦或者具體到某個子系統的生產統計報表；可以方便地查詢歷史數據、報警、曲線、操作記錄，以方便生產調度人員和各級領導實時掌握全礦每個細節的生產狀況，從而做出及時地調度和決策。總控中心可以對分控中心進行遠程控制，且遠程控制總是處于三級管控模式(就地控制—分控控制—總控監控)下的第三級，其中就地控制優先級最高，可以在現場巡檢人員發現狀況的時候進行直接就地停止，分控控制作為主要操作手段，采用3班8 h制度，在分控中心內設置專職人員進行監控，總控中心作為一般的全礦全景監控，負責指揮生產，安排調度，同時具有操作權限，但在一般的情況下不做操作，操作級別最小。

總控中心的大屏可以實現礦井所有監測類系統的匯總展示，大屏幕可以實時觀看與監控各種信息，包括三維一張圖、視頻監控、管理信息系統數據、歷史數據圖像以及電腦、電視、實物投影儀、DVD等信號源的信息和計算機網絡信息等多種信息，可隨時對各種現場信號和各類計算機圖文信號進行多畫面顯示和分析，及時做出判斷和處理，發布調度指令，實現實時監控和集中調度的目的。

3.2 分控中心

分控中心的劃分依據主要是按照礦井生產環節中涉及到的重要職能單位來劃分的，將張家峁公司的子系統按照業務需求劃分為9個分控單元，分別是機電分控中心、水電暖分控中心、機運分控中心、洗選分控中心、銷售分控中心、綜采分控中心、通風分控中心、安防分控中心以及掘進分控中心。“1+9”總控-分控自動化平臺子系統隸屬劃分見表2。

表2 “1+9”總控-分控自動化平臺子系統隸屬劃分

由表2可以看出，自動化系統和監測類系統進行了隸屬劃分，而信息化辦公系統作為張家峁公司辦公平臺上的獨立辦公業務系統，也根據不同的分控中心業務在數據中心給予了賦權處理，各分控中心經過劃分，在各自所屬的區域建設集控室，采用IFIX5.8作為上位機系統，利用工業環網技術將所含子系統數據從數據中心調出，從而進行采集、存儲、查詢和統計分析，并在上位機系統中進行融合。每一個分控中心可以實現以下功能：

(1)實時監控功能。分控中心通過視頻實現實時監控各個子系統現場設備情況。

(2)保護功能。分控中心實現各個子系統的故障預警，并及時判斷后急停。

(3)控制功能。分控中心控制模式可選擇自動控制、半自動控制、手動控制、遠程控制，具備遠程/就地切換功能。

(4)操作模式轉換。分控中心控制下的子系統分為遠程和本地操作狀態以及自動、手動、半自動幾種操作模式，其優先級控制方案為手動控制→遠程控制→自動控制。

(5)動態顯示功能。分控中心能夠實現圖形動態顯示設備的運行狀態及參數。

4 “1+9”總控-分控自動化平臺的多樣化融合

在“1+9”總控-分控自動化平臺的建立過程中，對相關分控中心的非自動化業務也進行了梳理和融合，在前期基礎的數據采集過程中，對視頻信息也進行了采集和匯總，根據隸屬的范圍不同，將所屬各個分控中心業務下的視頻信息進行調出，并在自動化操作系統的上位機操作畫面里進行視頻嵌入功能的實現，將自動化上位機的所處網段與視頻系統的網段聯通，同時開發視頻插件，通過與視頻源的連接及調用原攝像頭的流媒體資源(不直接調用攝像頭資源)，從而達到節省費用、充分利用資源、實時監控重要場所以及形成集控人員新的操作習慣的目的。此外還有人員定位系統的嵌入等等，諸如此類，讓業務歸屬單位實時了解所轄范圍內的設備、人員以及生產等動態。

5 “1+9”總控-分控自動化平臺的虛擬化應用

在“1+9”總控-分控自動化平臺的建設過程中，需要利用大量的網絡資源，前期的網絡資源及網絡規劃已經遠遠不能滿足需求，為此需要購置大量的核心交換機及網絡交換機，基于此次建設機遇，在思考網絡建設的同時引入了虛擬化應用，并對張家峁公司的網絡進行了基于VLAN劃分的重新規劃。虛擬化應用的建設使用兩臺虛擬化核心交換機替換了原有的28臺交換機，在更新換代的同時大大節省網絡設備的投入，這種思路的引入基于充分利用互聯網信息技術、計算機管理、虛擬化手段實現張家峁公司信息服務化和企業數字化，在張家峁公司數據中心建設 “私有云”服務平臺，開發接口設計、數據管理、應用系統等，發展基于互聯網的按需服務的新型網絡服務模式，并通過虛擬化平臺的建設建立一體化管控系統，將生產過程控制、生產環境監測、設備遠程診斷等相關傳感器和智能設備接入物聯網環境，利用信息技術將相關生產數據采集存入數據庫進行綜合自動化控制與數據分析。張家峁公司虛擬化建設架構示意圖如圖2所示。

虛擬化應用的建設夯實了“1+9”總控-分控自動化平臺的建設理念及建設成果，張家峁公司通過虛擬化平臺的建設將現場自動化系統及其它信息化系統融合在了一個整體的平臺上，應用更加直觀便捷，虛擬化平臺集成示意圖如圖3所示。

虛擬化應用可以滿足工作人員將文件上傳至辦公平臺的個人網盤，支持隨時隨地上傳下載，用戶文檔由張家峁公司網絡機房統一存儲管理保障資料存儲安全。同時支持外網辦公，張家峁公司人員可以實時登錄手機、pad等客戶端對張家峁公司虛擬化應用進行業務瀏覽，不受辦公地點、場合以及時間限制，同時還能夠減少系統管理員對數據中心及業務系統的維護工作量。

圖2 張家峁公司虛擬化建設架構示意圖

圖3 虛擬化平臺集成示意圖

6 效益分析

張家峁公司通過“1+9”總控-分控自動化平臺的運行，實現了固定機房、硐室設備、主煤流運輸等子系統的集中遠程控制和管理，達到了“無人值守、有人巡檢”的運行模式，極大地提高了礦井生產效率。同時，多系統融合、礦井三維可視化、虛擬化平臺的應用等手段，集成了視頻、定位等信息在分控中心的交互實現，達到了設備、人員、車輛等虛擬現實交互和三維可視化綜合管理。張家峁公司“1+9”總控-分控自動化平臺的效益分析如下：

6.1 減人提效

(1)機運分控中心。機運隊員工總數共計119人，進行無人值守升級改造后將固定崗位變成巡檢工，減員人數為30人。

(2)水電暖分控中心。水電隊員工總數共計53人，本次升級只增加了部分設備的遠程控制，減員人數為5人。

(3)安防分控中心。安保及消防人員共計30人，通過安防分控建設，減員人數為10人。

(4)銷售分控中心。銷售分控通過建設達到的減員人數為12人。

(5)洗選分控中心。洗選分控通過建設達到的減員人數為15人。

以上合計減員103人，按照張家峁公司系統維護費用約為30萬元/a、人均收入10萬元/a計算，張家峁公司節約工資成本約為1000萬元/a。“1+9”總控-分控自動化平臺建設總投資約為500萬元，回報周期為6個月，回報率為200% 。

6.2 提高生產效率

采用“1+9”總控-分控自動化平臺進行集中控制管理后，按照故障停機恢復縮短0.5 h/次計算，故障次數按照50次/a計算，系統出煤量按照2000 t/h計算，可以提高產能為6萬t/a。原煤均價按照500元/t計算，產生的經濟效益為3000萬元/a。

綜上可得，該自動化平臺帶來的經濟效益為4000萬元/a。2017年9月，“1+9”總控-分控自動化平臺被中國煤炭工業協會授予全國“煤炭工業兩化深度融合示范項目”的榮譽稱號。